半导体压力传感器

秦慧娴

【摘 要】微电子技术的应用与影响在我们的日常生活中随处可见。在本文里，简要地叙述了微电子技术的发展历史和现状，实际应用，发展趋势和展望。随着IC制造业的迅速发展，硅膜片式压力传感器及集成化压力传感器收到青睐，对其开发研制相当盛行。本文详细介绍半导体压力传感器的原理与应用，增进对微电子技术的了解。

【关键词】微电子技术；集成化；压阻效应；RAM

一、微电子技术及压力传感器的发展历史和现状

19世纪末20世纪初的物理学革命，为微电子技术的产生奠定了理论基础。半导体三个重要物理效应——光电导效应、光生伏特效应、整流效应的发现，量子力学的建立和材料物理的发展，都起到了理论推动作用。在半导体压力传感器中压阻式是最普及的一种。最近开发研制出一种新型压阻式压力传感器，由双SOI（绝缘体上外延硅）结构和4端子压阻元件构成如图1所示。SOI结构的特点是，用绝缘体覆盖作为应变片的单晶硅电阻器，可减小高温区的特性劣化，再用切断应变片方式就能获得提高温度特性、提高灵敏度之成效。

（一）集成电路的发展

作为微电子技术的核心，集成电路（IC）经历了小规模、中规模、大规模、超大规模阶段如图2-1，目前已进入甚大规模阶段，其集成度不断提高、功耗延迟积（优值）和特征尺寸不断缩小、集成规模不断增大。各方面的性能不断优化，价格却在不断降低——如此一来，产品的升级换代不仅导致性能品质的提升，价格也变得越来越便宜，性价比不断提高，在人类生活中也越来越受到欢迎，得到了广泛的应用。集成电路的制造工艺主要包括以下内容。

目前，我们已经进入纳米时代。0.25微米的CMOS工艺技术已进入大量生产，以该项技术制作出来的256Mb的DRAM和600MHz的微处理器芯片上，每片上的集成的晶体管数已经达到10～8-10～9数量级；10nm的器件已经在实验室研制成功，相应的栅氧化层只有1.0-2.0nm；90nm-32nm工艺已进入规模生产，晶体管本身宽度只有30nm-50nm.微电子产业发展高速、辐射面广，极大地影响了社会的方方面面，已经被列为是支柱产业之一【1】。

二、半导体压力传感器的定义及类型

（一）智能压力传感器的定义

所谓智能压力传感器就是一种带有微处理器（单片机）的，兼有信息监测、信号处理、信息记忆、逻辑思维判断功能的压力传感器【2】。显然，智能压力传感器具有较强的信息处理功能的能力，这主要是通过未处理器的程序来完成的，也就是说智能压力传感器是硬件电路和软件程序结合的产物【3】。因此，智能压力传感器是既有获得信息的能力，又有信息处理功能的传感器系统。智能传感器具备学习、推理、感知及管理的功能。

（二）智能压力传感器的类型

智能压力传感器是微处理器和压力传感器的结合。因此，根据他们的实现途径可分为：非集成化的智能压力传感器、集成化的智能压力传感器和混合型的智能压力传感器。非集成化的智能压力传感器是吧传统的压力传感器、信号调节电路、带数字总线接口的微处理器组合成一个整体，构成一个智能压力传感器系统。这种非集成化的智能压力传感器实际上就是在传统的压力传感器系统上增加了微处理器的连接。因此，这是一种实现智能压力传感器系统最快的途径和方式。

三、半导体压力传感器的原理

（一）系统构成

本系统的所有器件有：微处理器AT89V51、放大器INA118P、LM158、数模转换芯片MAX187、通讯芯片MAX485、复位芯片X25045、点阵字符型液晶显示模块、数控电位器X9313及阻、容原件

（二）压力测试

压力是由压力传感器将测得的模拟信号送放大器INA118P放大处理，由LM158提供电源[5]。INA118P放大的信号无凋零作用，需要再经过放大器LM158进行调整。该信号通过MAX187转换成数字信号，由AT89C51进行数据处理。

（三）温度补偿

系统的温度测量、温度补偿是由温度测量芯片AD590直接测得并输出模拟电压，通过MAX187转换成数字信号传给AT89C51.进行数据处理。

（四）数据处理

数据处理采用微处理器AT89C51。数据转换芯片MAX187是输入跟踪、保持和逐步逼近寄存器構成的电路，它将输入的模拟信号转换为12位数字信号输出。T/H不需要外部的保持电容。MAX187在10μs中变换0V至VREF范围内的输入信号，其中包含T/H的采集时间。MAX187的内部基准调整到1.096V，亦可以接受从+2.5V至VDD的外部基准电压。串行接口只需要三个数字线CS/SCLK和DOUT。

四、微电子技术的发展趋势和展望

微电子作为一个非常有活力的领域，依然在不断快速发展。一些技术已经投入应用，在社会各个方面为人类提供便利；而另一些技术还处于试验阶段，有待科学家们的继续研究。目前，微电子领域的前沿技术包括微电子制造工艺、微电子材料的研究、超大规模集成电路的设计以及MEMS技术等。微加工工艺是制造MEMS的主要手段，IC制造技术含（如光刻、薄膜淀积、注入扩散、刻蚀等）、微机械加工技术（如牺牲层技术、各向异性刻蚀、双面光刻以及软光刻技术等）和特殊微加工技术。目前微电子的制造工艺采用光刻和刻蚀等微加工方法，将大的材料制造为小的结构和器件，并与电路集成，实现系统微型化。对半导体材料的研究也是微电子领域的热门。由最原始的元素半导体（锗、硅、硒、硼、锑、碲），到化合物半导体（砷化镓、磷化锢、锑化锢、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等），乃至热门的有机半导体和无定型半导体。

【参考文献】

[1]蒋燕燕.微电子技术的现状与未来展望

[2]晏伯武，兆春 微电子技术发展与展望

[3]张兴，黄如，李晓彦微电子学概论（第二版）